團簇催化劑：原子團簇簡介及其在電催化中的應用

化學界通常充斥著復雜的方程式和抽象的概念，催化就是這樣一個概念。它可能會讓您疑惑：當催化劑加速反應時，幕后究竟發生了什么？雖然教科書可能會將催化劑定義為：“任何降低反應活化能的物質"，但它并不一定能描繪出一幅美麗的畫面。它幾乎無法捕捉到反應物和催化劑之間復雜的互動，以引導它們轉化為產物。

過渡態理論是一個強大的工具，它揭示了催化劑的真正魔力。想象一下一個反應物分子，分子 A 在成為產品 B 的旅程中需要克服一個能量障礙，即過渡態。克服這個障礙的難易程度決定了反應的速率。催化劑能夠改變分子 A，使其開始轉化為產品 B，加快反應速度！

催化劑無處不在：在我們的身體中，催化劑作為蛋白質幫助分解毒素或形成肌肉；在植物中，催化劑利用陽光產生糖分；在化學工業中，催化劑為我們提供塑造世界所需的材料和技術，為我們提供住所，保障我們的安全和健康，并為我們提供生存和繁榮所需的能量。

PART.1   更可持續的催化工藝

尋找更好、更便宜、更可持續的催化劑一直是科學研究的前沿，但這一問題從未像現在這樣緊迫。我們不斷增長的能源需求（由化石燃料推動）引發了氣候變化，大氣中的二氧化碳濃度從 280 ppm（濃度單位）飆升至 400 ppm 以上，溫度上升超過 1°C，并可能產生后果[1,2,3,4]。

此外，我們的海洋污染越來越嚴重，我們每年傾倒 500 萬至 1000 萬噸塑料（相當于 20,000 架空客 A380 的重量）[5] 。我們如何才能創建一個真正可持續發展的社會？

PART.2  納米粒子我們的救星！

納米粒子比人類頭發小 1000 倍，已被廣泛用作催化劑，幫助提高我們經濟的可持續性。它們可以極大地改變重要反應物（如 CO2、N2 和 H2O）的配置。這些分子通常相對惰性，難以改變。這些類型的反應物正是我們希望開始用作資源并大規模使用的，以使我們的經濟可循環。

然而，納米粒子也有缺點。盡管它們比人的頭發小 1000 倍，但與二氧化碳等反應物相比，它們還是相當大的。對于 100 納米的粒子，大約有 100,000 個二氧化碳分子可以同時吸收。這意味著，實際上，一個這樣的納米粒子實際上同時相當于約 100,000 個較小的催化劑。

遺憾的是，這些所謂的“活性位點"催化分子 A 到產物 B 的反應的能力并不相同。通常，納米粒子表面只有少數特定位點在做大部分工作。粒子的其余部分是惰性的。或者更糟的是，它會催化副反應。生產一種只存在于那一個特定位點的催化劑不是更好嗎？那個做所有工作的位點？

PART.3  集群催化劑：微型“泰坦"

這正是研究人員現在嘗試做的事情。他們不是制造極小但反應物較大的納米顆粒，而是制造簇[6,7,8] 。團簇是由原子以明確定義的原子性結合在一起的原子群。

也就是說，原子總數明確為 100 個或更少。由于尺寸較小（<2 納米），團簇每次只能容納少量反應物。此外，它們的結構和幾何形狀非常均勻。這意味著，如果找到使反應物 A 與反應物 B 非常相似的簇，就可以在催化劑表面填充非常適合將 A 轉化為 B 的“微型泰坦"[9] 。

通過團簇催化，納米粒子非活性部分以前的死區現在得到了充分利用。這使得整個催化劑更加高效，價格便宜。由于催化劑可能相當昂貴，因此簇的利用可以帶來很大的不同。例如，電解水中的常用催化劑銥的價格為 200,000 美元/千克。使用團簇代替 100 nm 的粒子可以將催化劑成本降低 50 倍！

為了應對我們這個時代的真正挑戰——例如減少我們的碳足跡、從可持續來源生產肥料、分解和再利用塑料沉積物以及實現真正的循環經濟——我們必須發現更有效的催化劑。更重要的是，一旦發現，我們就應該迅速擴大其生產規模，以產生重大影響。

PART.4   VSParticle 的創新納米打印技術

VSParticle 專注于提供創新解決方案，成為納米粒子生成和打印領域的先驅。該公司的最新產品 VSP-P1 納米印刷沉積系統配備集成的 VSP-G1 納米粒子發生器，可快速輕松地合成和打印（半）導電納米多孔層，用于各種應用。

VSP-G1 納米粒子發生器的多功能性為研究人員提供了將粒子尺寸一直減小到團簇狀態甚至控制其組成的機會[10]。

利用 VSP-P1納米印刷沉積系統，這些團簇可以單獨打印或者裝飾在合適的支撐納米顆粒（如Al2O3、SiO2、TiO2等）上，并打印在幾乎任何基底上，如聚合物、氧化銦錫（ITO）、玻璃、金、碳等，直接生成具有催化活性和機械穩定性的催化劑層，以供測試[11]。

VSParticle 旨在占據高通量實驗領域，該領域采用自動閉環催化劑優化方案，大大加速催化劑的發現和優化。VSP-P1 納米印刷沉積系統和軟件可實現精確的系統控制和可重復的結果。VSParticle 正在開發新一代打印機技術，以將催化劑生產規模擴大到工業相關產能。

參考文獻

【1】Ritchie, H.; Roser, M. Energy. Our World in Data 2020.

【2】US Department of Commerce, N. Global Monitoring Laboratory - Carbon Cycle Greenhouse Gases. gml.noaa.gov/ccgg/trends/ (accessed 2021-08-16).

【3】Stips, A.; Macias, D.; Coughlan, C.; Garcia-Gorriz, E.; Liang, X. S. On the Causal Structure between CO 2 and Global Temperature. Sci Rep 2016, 6 (1), 1–9. doi.org/10.1038/srep21691.

【4】Fourteenth Session of Working Group I and Fifty-Fourth Session of the IPCC — IPCC. 

【5】 Haward, M. Plastic Pollution of the World’s Seas and Oceans as a Contemporary Challenge in Ocean Governance. Nat Commun 2018, 9 (1), 667

【6】Maisser, A.; Barmpounis, K.; Attoui, M. B.; Biskos, G.; Schmidt-Ott, A. Atomic Cluster Generation with an Atmospheric Pressure Spark Discharge Generator. Aerosol Science and Technology 2015, 49 (10), 886–894.

【7】 Maisser, A.; Barmpounis, K.; Holm, S.; Attoui, M.; Schmidt-Ott, A.; Kangasluoma, J.; Biskos, G. Characterization of Atmospheric-Pressure Spark Generated Atomic Silver and Gold Clusters by Time-of-Flight Mass Spectrometry. Journal of AerosolScience 2021, 156,105780. .

【8】Koolen, C. D.; Luo, W.; Züttel, A. From Single Crystal to Single Atom Catalysts: Structural Factors Influencing the Performance of Metal Catalysts for CO2 Electroreduction. ACS Catal. 2022, 948–973. 

【9】Arenz, M.; Gilb, S.; Heiz, U. Chapter 1 Size Effects in the Chemistry of Small Clusters. In The Chemical Physics of Solid Surfaces; Woodruff, D. P., Ed.; Atomic Clusters: From Gas Phase to Deposited; Elsevier, 2007; Vol. 12, pp 1–51. 

【10】Scalable synthesis of Cu(-Ag) oxide clusters via spark ablation for the highly selective electrochemical conversion of CO2 to acetaldehyde.